(57)【要約】【課題】凹凸構造を含む発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体発光素子において、下部クラッド層３１と、下部クラッド層の一側の上部に順次に形成された活性層３２、上部クラッド層３３及び第１電極３４と、下部クラッド層の他側の表面に形成された凹凸構造パターン領域上に形成された第２電極３５と、を備える半導体発光素子である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の半導体発光素子において、
下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の一側の上部に順次に形成された活性層、上部クラッド層及び第１電極と、
前記下部クラッド層の他側の表面に形成された凹凸構造パターン領域上に形成された第２電極と、を備えることを特徴とする凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板は、サファイア基板であることを特徴とする請求項１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項３】
前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、窒化ガリウム系物質を含んで形成されることを特徴とする請求項１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１電極は、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、ＮｉまたはＰｔのうち少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２電極は、Ａｌ、Ｃｒ、ＴｉまたはＡｕのうち少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項６】
前記下部クラッド層の厚さは、１ないし１０μｍであることを特徴とする凹凸構造を含む請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記凹凸構造の幅は、０.１ないし１０μｍであり、前記凹凸構造の高さは、０.１ないし１０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項８】
凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法において、
（ａ）基板上に下部クラッド層を形成する工程と、
（ｂ）前記下部クラッド層上に活性層及び上部クラッド層を形成する工程と、
（ｃ）前記下部クラッド層の一部領域をエッチングして他側の上部に凹凸構造パターンを形成する工程と、
（ｄ）前記上部クラッド層上に第１電極を形成し、前記下部クラッド層の凹凸構造パターン上に第２電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記（ｃ）工程は、
前記上部クラッド層及び前記活性層を第１エッチング工程によって前記下部クラッド層の一部領域を露出させる工程と、
前記露出された下部クラッド層を第２エッチング工程によって、凹凸構造を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項８に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第２エッチング工程は、乾式エッチングまたは湿式エッチング工程であることを特徴とする請求項９に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記湿式エッチング工程は、Ｈ３ＰＯ４またはＫＯＨ水溶液を利用することを特徴とする請求項１０に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記湿式エッチング工程は、１００℃ないし３００℃の範囲で実施されることを特徴とする請求項１０に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に係り、さらに詳細には、半導体発光素子の下部クラッド層と側面電極との間に凹凸構造を採用することによって、さらに簡単な製造工程を用いても、光抽出効率を向上させることができる半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、発光素子は、化合物半導体の特性を利用して、電気エネルギーを赤外線、可視光線または光の形態に変換させた信号の発信に使われる素子である。発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ）の一種であり、現在III−Ｖ族化合物半導体を利用した発光ダイオードが実用化されつつある。
【０００３】
III族窒化物系化合物半導体は、直接遷移型半導体であり、他の半導体を利用した素子より高温で安定した動作が得られ、ＬＥＤやレーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）などの発光素子に広く応用されている。このようなIII族窒化物系化合物半導体は、通常、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）を基板として利用して、その上部に形成されることが一般的である。現在発光効率、すなわち光の抽出効率を向上させるために、多様な構造のＬＥＤに関する研究が進められつつあり、特に、発光素子の光抽出領域に凹凸構造を形成して光抽出効率を向上させるための構造が紹介されている。
【０００４】
異なる屈折率を有する物質層の界面では、各物質層の屈折率による光の進行が制限される。平坦な界面の場合、屈折率の高い（ｎ＝２.５）半導体層から屈折率の低い空気層（ｎ＝１）へ光が進む場合、所定角度（θ）以下の角度で平坦な界面に入射しなければならない。所定角度以上で入射する場合、平坦な界面で全反射されて側方向に進んでトラップされることによって、光抽出効率が大きく低下する。したがって、これを防止するために、界面に凹凸構造を導入する方法が試みられた。
【０００５】
図１及び図２は、従来の技術による凹凸構造を含む半導体発光素子を示す図面である。
【０００６】
図１は、ＰＳＳ（Ｐａｔｅｒｎｅｄ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）構造を含む半導体発光素子である。図１を参照すれば、サファイア基板１０上にＧａＮバッファ層１１、ＧａＮ層１２が形成されている。ＧａＮ層１２上には、ｎ−ＧａＮクラッド層１３が形成されており、ｎ−ＧａＮクラッド層１３の一側の上部には、ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗａｌｌ）構造の活性層１４、ｐ−ＧａＮクラッド層１５及びｐ−電極層１６，１７が順次に形成されている。ｐ−電極層１６，１７は、メッシュ型ｐ−電極１６及びｐ−電極パッド１７で構成される。ｎ−ＧａＮクラッド層１３の他側の上部には、ｎ−電極層１８が形成されている。
【０００７】
ここで、サファイア基板１０には、凹凸構造が形成されている。そして、ＧａＮバッファ層１１は、サファイア基板１０の凹凸構造に対応する形態にサファイア基板１０上に形成されており、ＧａＮ層１２がＧａＮバッファ層１１の凹凸構造上に塗布されつつ、平坦に形成される。このような構造を含む半導体発光素子は、活性層１４で発生した光をトラップさせず、サファイア基板１０の方向にスキャタリングさせうるという長所がある。しかし、サファイア基板１０に凹凸構造を形成する工程が複雑であり、かつ収率が低いという短所がある。
【０００８】
図２は、サファイア基板２０上にｎ−ＧａＮクラッド層２１が形成されており、ｎ−ＧａＮクラッド層２１の一側の上部には、活性層２２、ｐ−ＧａＮクラッド層２３、ｐ型透明電極２４及びｐ−電極パッド２５が形成されている。ｎ−ＧａＮクラッド層２１の他側の上部には、ｎ−電極層２６が形成されている。ここでは、ｐ−ＧａＮクラッド層２３の表面に凹凸構造がある。このような構造を含む半導体発光素子は、活性層２２で発生した光をトラップさせず、ｐ型透明電極２４の方向にスキャタリングさせうるという長所がある。しかし、凹凸構造が形成されるｐ−ＧａＮクラッド層２３の厚さが、約０.２μｍと薄くてスキャタリング効果が小さいという短所があり、また、凹凸が局部的に形成されたｐ−ＧａＮクラッド層２３の表面では、オーミックコンタクト特性が低下して素子の動作電圧が上昇するという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記従来の技術の問題点を解決するために、半導体発光素子の光抽出効率を向上させ、また製造工程自体が容易な凹凸構造を含む半導体発光素子及びその形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、前記目的を達成するために、半導体発光素子において、下部クラッド層と、前記下部クラッド層の一側の上部に順次に形成された活性層、上部クラッド層及び第１電極と、前記下部クラッド層の他側の表面に形成された凹凸構造パターン領域上に形成された第２電極と、を備える凹凸構造を含む半導体発光素子を提供する。
【００１１】
本発明において、前記基板は、サファイア基板であることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、窒化ガリウム系物質を含んで形成されることを特徴とする。
【００１３】
本発明において、前記第１電極は、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、ＮｉまたはＰｔのうち少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記第２電極は、Ａｌ、Ｃｒ、ＡｕまたはＴｉのうち少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明において、前記下部クラッド層の厚さは、１ないし１０μｍであることを特徴とする。
【００１６】
本発明において、前記凹凸構造の幅は、０.１ないし１０μｍであり、前記凹凸構造の高さは、０.１ないし１０μｍであることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明では、凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法において、（ａ）基板上に下部クラッド層形成する工程と、（ｂ）前記下部クラッド層上に活性層及び上部クラッド層を形成する工程と、（ｃ）前記下部クラッド層の一部領域をエッチングして他側の上部に凹凸構造パターンを形成する工程と、（ｄ）前記上部クラッド層上に第１電極を形成し、前記下部クラッド層の凹凸構造パターン上に第２電極を形成する工程と、を含む凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法を提供する。
【００１８】
本発明において、前記（ｃ）工程は、前記上部クラッド層及び前記活性層を第１エッチング工程によって前記下部クラッド層の一部領域を露出させる工程と、前記露出された下部クラッド層を第２エッチング工程によって凹凸構造を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明において、前記第２エッチング工程は、乾式エッチングまたは湿式エッチング工程であることを特徴とする。
【００２０】
本発明において、前記湿式エッチング工程は、Ｈ３ＰＯ４またはＫＯＨ水溶液を利用することを特徴とする。
【００２１】
本発明において、前記湿式エッチング工程は、１００℃ないし３００℃の範囲で実施されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、半導体発光素子の下部クラッド層と第２電極との界面に凹凸構造のパターンを形成することによって、活性層で発生した光の抽出効率を大きく向上させつつ、半導体素子の製造時、従来の凹凸構造を有する半導体発光素子に比べて非常に簡単に製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、シリコン酸化物上に形成されたナノドット及びその製造方法に係り、さらに詳細には、シリコン酸化物上に規則的な配列を表すように、その位置を制御しつつ形成させたナノドット構造体及びその製造方法に関する。
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体発光素子及びその製造方法についてさらに詳細に説明する。
【００２５】
図３は、本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体発光素子を示す図面である。
【００２６】
図３を参照すれば、基板３０上に下部クラッド層３１が形成されており、下部クラッド層３１の一側の上部には、活性層３２、上部クラッド層３３及び第１電極３４が順次に形成されている。ここで、下部クラッド層３１の他側の表面には、凹凸構造が形成されている。そして、凹凸構造の上部には、第２電極３５が形成されている。本発明では、下部クラッド層３１と第２電極３５との境界面には、凹凸構造を形成することを特徴とする。すなわち、本発明では、活性層３２で発生した光が下部クラッド層３１と上部クラッド層３３との間で全反射によってトラップされる場合、下部クラッド層３１及び第２電極３５と接触する領域でスキャタリングされるように、下部クラッド層３１と第２電極３５との間に凹凸構造を形成することを特徴とする。
【００２７】
本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体発光素子の基板３０、下部クラッド層３１、活性層３２、上部クラッド層３３、第１電極３４及び第２電極３５の物質は、従来の通常的な半導体発光素子に使われる材料ならば、制限なしに利用できる。特に、窒化ガリウム系半導体化合物の半導体素子に使われる材料を利用できる。具体的に例を挙げれば、基板３０は、半導体基板またはサファイア基板を使用し、下部クラッド層３１及び上部クラッド層３３は、ｎ−ＧａＮまたはｐ−ＧａＮを使用し、活性層３２はＭＱＷなどを使用できる。第１電極３４としては、従来の一般的な電極材料を使用でき、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、ＮｉまたはＰｔを使用できる。そして、第２電極３５としてＡｌ、Ｃｒ、ＴｉまたはＡｕなどを使用できる。
【００２８】
以下、図４Ａないし図４Ｄを参照して、本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法について詳細に説明する。
【００２９】
図４Ａを参照すれば、まず基板３０を設ける。このとき、基板は、半導体基板またはサファイア基板を使用する。
【００３０】
図４Ｂを参照すれば、基板３０上に下部クラッド層３１、活性層３２及び上部クラッド層３３を順次に形成する。下部クラッド層３１及び上部クラッド層３３は、通常多く使用するＧａＮを含む物質を利用して形成する。例えば、下部クラッド層３１は、ｎ−ＧａＮで形成し、上部クラッド層３３は、ｐ−ＧａＮで形成する。
【００３１】
図４Ｃを参照すれば、サファイア基板３０上の下部クラッド層３１、活性層３２及び上部クラッド層３３の一部領域をエッチングする。これを詳細に説明すれば、まず、上部クラッド層３３と活性層３２とを垂直方向にエッチングする。このとき、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）のような乾式エッチングで容易に進めうる。したがって、下部クラッド層３１が露出される。そして、露出された下部クラッド層３１に凹凸構造を有させるためのエッチング工程を実施する。この時には、例えば、乾式エッチングまたは湿式エッチング工程で進みうる。具体的に説明すれば、Ｈ３ＰＯ４、ＫＯＨ水溶液を利用して、１００℃ないし３００℃の温度範囲で数分ないし数十分間湿式エッチング工程を実施する。エッチング時間は、下部クラッド層３１の厚さによって調節できる選択可能なものである。下部クラッド層３１の厚さは、１ないし１０μｍに形成し、凹凸構造の幅は、０.１ないし１０μｍに形成し、凹凸構造の高さは、０.１ないし１０μｍに形成させうる。
【００３２】
図５では、前述したようなエッチング工程によって、下部クラッド層３１の露出された表面に形成させた凹凸構造の断面を示すイメージである。このとき、試片のエッチング条件は、Ｈ３ＰＯ４溶液で、２２０℃で約１０分間湿式エッチングを実施した。図５を参照すれば、エッチング工程によって、下部クラッド層３１の表面に台形の溝が形成されているということを分かる。
【００３３】
図４Ｄを参照すれば、上部クラッド層３３の上部に第１電極３４を形成し、下部クラッド層３１の凹凸構造上に第２電極３５を形成し、本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体発光素子を完成する。
【００３４】
図６は、本発明の実施形態による凹凸構造を含む３２０×３２０μｍ２の発光素子の平面図である。図６を参照すれば、凹凸構造が存在する第２電極３５の面積が全体素子の面積対比３０％以上であるということが分かる。すなわち、活性層３２で発生した光が発光素子の内部でトラップされて全反射される過程でスキャタリングできる領域は小さくないということが分かる。
【００３５】
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体発光素子の製造工程時、凹凸構造を形成する工程時の条件を調節してエッチング工程を行った後、下部クラッド層３２の表面を撮ったイメージである。
【００３６】
図７Ａは、２００℃でＨ３ＰＯ４水溶液に約１０分間エッチング工程を実施した後の下部クラッド層３２の表面イメージである。このとき、エッチングされた領域（ｐｉｔ）の幅は、約２μｍであり、深さは、約１.５μｍより小さかった。
【００３７】
図７Ｂは、２２０℃でＨ３ＰＯ４水溶液に約１０分間エッチング工程を実施した後の下部クラッド層３２の表面イメージである。このとき、エッチングされた領域の幅は、約５μｍであり、深さは、約２.５μｍより小さかった。
【００３８】
すなわち、図７Ａ及び図７Ｂを参照すれば、他の湿式エッチング条件が類似しており、温度の差があるが、形成された凹凸構造のサイズは、大きな差があるということが分かる。したがって、凹凸構造のサイズは、湿式エッチング工程の一部条件の変更で容易に調節可能であるということが分かる。図８は、前述した図７Ａ及び図７Ｂのようなエッチング工程によって製造した凹凸構造を含む半導体発光素子と凹凸構造を含んでいない従来の技術による半導体発光素子との光出力を比較したグラフである。
【００３９】
図８を参照すれば、ここでは、３つの試片を対象とした。第１試片は、凹凸構造を含んでいない一般的な試片であって、図８のドットで表した。第２試片は、図７Ａのように、２００℃でＨ３ＰＯ４水溶液で約１０分間エッチング工程を実施して凹凸構造を形成させた半導体発光素子である。第３試片は、２２０℃でＨ３ＰＯ４水溶液で約１０分間エッチング工程を実施して凹凸構造を形成させた半導体発光素子である。エッチングによって下部クラッド層３１と第２電極３５との間の界面に形成された凹凸構造のサイズ（幅及び深さ）を大きく形成させた第３試片の場合、光出力が最も良いということが分かる。具体的に、２０ｍＡで測定された光出力を比較する場合、第１試片に比べて第２試片は、約２５％の向上した光出力が得られ、第３試片は、約４６％という非常に向上した光出力の結果が得られた。
【００４０】
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって限定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、発光装置関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の技術による凹凸構造を含む半導体発光素子を示す図面である。
【図２】従来の技術による凹凸構造を含む半導体発光素子を示す図面である。
【図３】本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体発光素子の構造を示す図面である。
【図４Ａ】本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法を示す図面である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法を示す図面である。
【図４Ｃ】本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法を示す図面である。
【図４Ｄ】本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法を示す図面である。
【図５】本発明の実施形態によって形成された凹凸構造を示すイメージである。
【図６】本発明の実施形態による形成された半導体発光素子の平面図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態による半導体発光素子の製造工程のうち、凹凸構造を形成したところを示すイメージである。
【図７Ｂ】本発明の実施形態による半導体発光素子の製造工程のうち、図７Ａとは異なる条件で凹凸構造を形成したところを示すイメージである。
【図８】本発明の実施形態によって製造された凹凸構造を含む半導体発光素子の側面電極領域の広さ比による光出力を示す図面である。
【符号の説明】
【００４３】
１０，２０    サファイア基板、
１１    ＧａＮバッファ層、
１２    ＧａＮ、
１３，２１    ｎ−ＧａＮクラッド層、
１４    ＭＱＷ活性層、
１５，２３    ｐ−ＧａＮ活性層、
１６，１７    ｐ−電極、
１８    ｎ電極、
２２    活性層、
２４    ｐ型透明電極、
２５    ｐ−電極パッド、
３０    基板、
３１    下部クラッド層、
３２    活性層、
３３    上部クラッド層、
３４    第１電極、
３５    第２電極。
【図１】
2006352135.tif 000003
【図２】
2006352135.tif 000004
【図３】
2006352135.tif 000005
【図４Ａ】
2006352135.tif 000006
【図４Ｂ】
2006352135.tif 000007
【図４Ｃ】
2006352135.tif 000008
【図４Ｄ】
2006352135.tif 000009
【図５】
2006352135.tif 000010
【図６】
2006352135.tif 000011
【図７Ａ】
2006352135.tif 000012
【図７Ｂ】
2006352135.tif 000013
【図８】
2006352135.tif 000014